3.3.2 人工智能与脑科学教学设计-2026-2027学年人教/中图版高中信息技术选修四

该高中信息技术教学设计聚焦人工智能与脑科学融合，以“2025年‘人工智能+’计划”热点导入，衔接旧知人工智能与新知脑科学，明确4个学习目标搭建支架，引导学生形成从实验到技术、关系到战略、创新到伦理的认知链。 特色在于实验驱动与伦理思辨结合，通过“脑控小球”实验视频观察与系统流程拆解培养计算思维，分组辩论“脑机接口推广”议题强化信息社会责任，利用思维导图梳理中国脑计划任务提升数字化学习与创新能力，助力学生构建系统知识框架，为教师提供可操作的跨学科教学方案。

3.3.2人工智能与脑科学 教学设计 课程基本信息 学科 信息技术 年级 高二年级 学期 秋季 课题 3.3.2人工智能与脑科学 教科书 书 名：普通高中教科书信息技术选择性必修4 人工智能初步 出版社：人教中图版 教学目标 1.观摩“脑控小球”实验，理解脑机接口技术的一般原理。（信息意识计算思维） 2.梳理人工智能与脑科学发展阶段，认识人工智能和脑科学的关系。（计算思维）； 3.展示人类大脑与类脑智能功能对照表，了解中国脑计划的重大意义。（数字化学习与创新）；4.通过分组辩论任务加深技术伦理底线认识，培养科技向善的社会责任感。（信息社会责任）； 教学重难点 教学重点： 1.脑机接口技术的工作原理，；以及侵入式与非侵入式脑机接口的差异； 2.人工智能与脑科学的融合关系； 3.中国脑计划的核心内容及其对民生、产业、科技自立的意义。 教学难点： 1.脑机接口技术中“脑电信号转化为控制命令”的逻辑； 2.人工智能与脑科学融合的深层逻辑； 3.技术伦理底线的把握。 教学过程 前情回顾引出目标 1.教师活动：衔接旧知：“前面我们已初步掌握人工智能相关知识，2025 年人工智能火遍大江南北，国家推行的‘人工智能+’计划将推动社会全面智能化，今天我们聚焦‘人工智能+脑科学’展开学习。”明确目标：展示本节课4 个核心学习目标，逐一解读：①观摩“脑控小球”实验，理解脑机接口技术的一般原理；②梳理AI 与脑科学发展阶段，认识二者关系；③通过人类大脑与类脑智能功能对照表，了解中国脑计划的意义；④通过分组辩论，加深对技术伦理底线的认识，培养科技向善的信息社会责任。 2.学生活动：跟随教师回顾人工智能旧知，关联“人工智能+”计划的社会背景，认真倾听并记录学习目标，明确本节课的核心学习方向与任务。 3.设计意图：以“2025 年‘人工智能+’计划”这一热点为切入点，建立旧知（人工智能）与新知（人工智能+脑科学）的关联，降低学习门槛，提前明确学习目标，帮助学生锚定学习重点，激发主动探索的兴趣。 环节一：实验演示情景启思 首次“脑控小球”实验观察 1.教师活动：播放视频并提出问题：播放“脑控小球”实验一，同步提问：“实验者通过怎样的行为控制小球运动？背后原理是什么？”组织讨论并汇总反馈：给予1 分钟小组讨论时间，巡视各小组讨论情况，引导学生聚焦“注意力变化”与“小球运动”的关联；讨论结束后，汇总学生反馈（如“专注看小球时上升，不看时回落”），补充实验背景：“这是天津某大学团队开发的脑机接口注意力增强系统，核心是实时监测脑电信号，将注意力状态转化为小球直观反馈”。 2.学生活动：观看视频时记录实验现象，重点关注“实验者行为”与“小球运动状态”的对应关系；参与小组讨论，梳理“注意力变化→小球运动”的逻辑，随后分享讨论结果，倾听教师补充的实验原理。 3.设计意图：通过直观的实验视频，让学生从“现象”切入认知脑机接口技术，避免直接讲解抽象原理的枯燥感；小组讨论培养学生合作分析能力，教师补充则帮助学生建立“现象→原理”的初步认知。 二次“脑控小球”实验对比 1.教师活动：播放视频并递进提问：播放“脑控小球”实验视频二，提出两个问题：“本实验的结论是什么？两个‘脑控小球’实验有哪些共同过程？”每个问题预留学生独立思考 与回答时间。引导共性提炼：针对学生回答，总结“两个实验均依赖脑电信号控制”“均需将脑信号转化为设备动作”的共性，随后过渡：“脑电信号如何一步步让小球运动？我们来拆解系统工作流程”。 2.学生活动：观看视频时重点关注研发者讲解的原理，对比首个实验的差异与共性，独立思考后回答问题，在教师引导下提炼实验共性，带着“信号处理流程”的疑问进入下一环节。 3.设计意图：通过二次实验对比，帮助学生从‘单一实验认知’升级为‘同类实验共性提炼’，培养归纳能力；以‘疑问’过渡，自然引出技术流程拆解，符合学生‘从现象到本质’的认知逻辑。 “脑控小球”系统工作流程拆解 1.教师活动：指出“脑控小球”系统就是一套“脑机接口”系统。脑机接口：是一种量化中枢神经系统活动并将其转化为人工输出的系统，主要包括信号采集、信号处理和输出控制三部分。具象化讲解流程：展示头上佩戴的脑电导连线设备，结合“神经元群体电信号变化”图片，分步讲解流程：信号采集（脑电导连线采集脑电信号）→信号预处理（过滤干扰）→特征提取（提取注意力/睁眼鼻眼相关信号）→超声波测距（判断小球位置）→风扇控制（调节力度驱动小球升降）。明确技术概念：强调“睁眼/闭眼脑电波差异→风扇动作→小球升降”的逻辑，指出该设备属于“非侵入式脑机接口”，并提及我国在侵入式脑机接口研究中取得的重大医疗突破，展望其现在与未来。 2.学生活动：观察脑电导连线设备，结合图片理解“信号采集→控制动作”的完整链条，记录每个步骤的核心作用。明确“非侵入式脑机接口”的定义，初步感知“侵入式”与“非侵入式”的分类。 3.设计意图：借助实物设备与图片，将抽象的“信号处理流程”具象化，突破“脑电信号转控制命令”教学难点。提及我国侵入式技术突破，兼顾知识传递与民族科技自信培养。 侵入式与非侵入式脑机接口差异探究 1.教师活动：布置小组任务“以小组为单位，查找资料讨论：侵入式与非侵入式脑机接口在应用场景和安全性上的区别”。分享与总结：邀请1 组学生分享讨论结果，随后展示PPT中的总结表格（侵入式：应用于医疗诊治/教育/军事，有植入风险但信号精准；非侵入式：应用于医疗康复/智能家居/娱乐，无植入风险但信号易受干扰），并过渡：“脑机接口是AI与脑科学的融合技术，二者整体是什么关系？进入下一环节”。 2.学生活动：小组合作查找资料，围绕“应用场景”“安全性”两个维度对比两类设备。分享讨论结果，对照教师展示的表格修正认知，建立“脑机接口是AI 与脑科学桥梁”的初步认知。 3.设计意图：通过“查找资料+讨论”，培养学生自主获取与分析信息的能力。表格总结清晰呈现两类技术的差异，帮助学生形成结构化认知，为后续理解“AI 与脑科学关系”铺垫。 环节二：交叉探索加强研究 脑科学概念界定 1.教师活动：引用中国电子学会定义，区分狭义与广义脑科学：“狭义脑科学即神经科学；广义脑科学研究人和动物大脑结构与功能、防治神经精神疾患、发展模拟人脑功能的神经计算机。”关联AI：强调“发展神经计算机是AI 的重要方向”，为后续“融合”讨论铺垫。 2.学生活动：记录狭义与广义脑科学的定义，标注“神经计算机”与人工智能的关联点。初步理解脑科学的研究范畴，建立“脑科学→AI”的关联认知。 3.设计意图：引用权威定义确保概念准确性，“狭义→广义”的讲解符合学生“从简到繁”的认知规律。提前关联AI，避免后续讨论“融合”时出现概念割裂。 脑科学与AI 发展关键节点梳理 1.教师活动：展示时间线与案例分析：呈现“2000 年脑科学发现‘不同思维的脑电波差异’；2015 年深度学习成熟，结合该发现做出能区分6 种意念的脑控轮椅，帮助残疾人行动”的时间线。引导关系认知：提问“该案例体现AI 对脑科学的什么作用？”，引导学生得出“AI助力脑科学成果落地”的结论，随后反问：“脑科学对AI 有作用吗？我们讨论二者融合的可行性与必要性”。 2.学生活动：分析时间线，梳理“脑科学突破→AI 技术支撑→应用落地”的逻辑。思考并回答AI 对脑科学的作用，带着“脑科学对AI 的作用”的疑问，准备进入讨论。 3.设计意图：通过具体时间线与案例，让学生直观感知“AI 与脑科学相互助力”的关系，避免抽象论述；以“反问”激发探究欲，自然引出“融合可行性与必要性”的讨论。 AI 与脑科学融合的可行性与必要性讨论 1.教师活动：布置讨论任务：‘结合AI 知识，小组讨论二者融合的可行性与必要性，可借助AI 大模型辅助，给5 分钟时间’，巡视时引导学生从‘技术成熟度’‘能力互补性’‘应用领域’（可行性）、‘问题解决’‘科技进步’‘社会效益’（必要性）切入；总结提炼： 邀请小组分享后，总结核心观点（可行性：脑科学机制理解深入+AI 技术成熟，二者互补；必要性：解决复杂问题、推动科技进步、提高社会经济效益）。 2.学生活动：小组讨论时结合AI 旧知（如深度学习）与脑科学新知，借助AI 大模型补充论据；分享讨论结果，在教师总结中完善“融合价值”的认知，明确二者“双向赋能”的关系。 3.设计意图：借助‘小组讨论+AI 大模型辅助’，培养学生自主探究与跨知识整合能力；教师总结帮助学生将零散的讨论观点，梳理为“可行性+必要性”的结构化认知。 AI 与脑科学深度融合维度总结 1.教师活动：讲解四大融合维度：结合PPT，逐一说明：算法融合（结合脑科学启发的算法与AI 算法）、模型融合（整合多个独立训练的模型输出）、特征融合（利用脑信号与AI 数据的关联性提升模型表达）、数据融合（确保融合数据对模型训练有积极意义），强调‘四者相互作用，不分先后’；核心结论强化：引用‘没有世界一流的脑科学，就没有世界一流的类脑智能技术创新；反之，机器学习为脑科学提供新数据处理方法’，深化‘二者互促’的关系。 2.学生活动：记录四大融合维度，理解每个维度的核心作用，绘制“脑科学→融合维度→AI”的关联图；记忆核心结论，明确AI 与脑科学“双向赋能、不可分割”的关系。 3.设计意图：从“可行性与必要性”到“具体融合维度”，帮助学生完成“为什么融合→如何融合”认知升级；—核心结论引用强化记忆，为后续“类脑智能”学习铺垫理论基础。 环节三：逻辑明晰认知提升 类脑智能定义与功能对照 1.教师活动：定义类脑智能：讲解“类脑智能通常指的是AI 前沿方向，核心是模拟人类大脑神经结构与认知原理，构建具备生物智能特性的计算系统，目标是让机器像人脑一样高效处理信息、自主学习、智能决策”；布置与梳理任务三：布置“从信息处理、自主学习、智能决策三方面，整理人类大脑与类脑智能功能对照表”的任务，5 分钟后引导学生共同梳理（信息处理：人类多区域协同vsAI 多信号并行；自主学习：人类神经元连接随经验强化vsAI 算法参数优化；智能决策：人类前额叶整合信息vsAI 多源数据最优指令）。 2.学生活动：理解类脑智能定义，明确“模拟大脑”的核心；独立或小组完成功能对照表，随后参与集体梳理，结合案例（如智能导航）理解类脑智能对大脑机制的模仿。 3.设计意图：通过“定义+对照表”，让学生从“概念”到“具体功能”全面认知类脑智 能，突破“类脑智能如何模仿大脑”的难点；案例结合（如智能导航）让抽象的“功能对照”更具象，符合学生认知规律。 中国脑计划解读 1.教师活动：背景与视频导入：讲解“2013 年全球重视脑科学，欧盟启动‘人类大脑计划’、美国推行‘神经技术大脑研究计划’，我国启动‘中国脑计划’”，随后播放中国脑计划视频；任务四与意义总结：视频结束后，解读“中国脑计划‘脑认知原理基础、脑重大疾病、类脑人工智能’的研究格局（一体两翼）”，布置“梳理中国脑计划重要任务，制作思维导图”的任务，3 分钟后展示学生成果，补充计划意义：“从民生改善（医疗）、产业升级（类脑智能）、科技自立、协同创新维度赋能国家发展”，过渡：“科技进步需关注伦理安全，进入最后环节”。 2.学生活动：观看视频时了解中国脑计划的整体规划，制作思维导图时梳理“一体两翼”核心任务；—展示思维导图成果，倾听教师补充的计划意义，理解其国家战略价值。 3.设计意图：全球脑科学背景对比，凸显中国脑计划的战略意义；—思维导图培养学生信息梳理与可视化表达能力，教师补充则帮助学生从“任务梳理”升级为“战略价值认知”。 环节四：伦理树责素养培养 脑机接口技术伦理辩论 1.教师活动：明确辩论规则：确定辩论主题“能识别人类运动意图并辅助行为的脑机接口设备，是否应该推广”，划分正反方（如1—3 组正方、4—6 组反方），给予5 分钟准备时间，引导正方聚焦“技术价值”（如帮助残疾人行动、提升医疗效率）、反方聚焦“风险隐患”（如隐私泄露、技术滥用、长期安全性未知）；—组织辩论流程：按“正方发言（2分钟）→反方发言（2 分钟）→正方回应风险（2 分钟）→反方评价方案（2 分钟）”推进，最后邀请1—2 名学生分享“更支持哪方及理由”。 2.学生活动：明确立场后快速梳理论据，正方收集“技术利好案例”，反方整理“风险隐患及实例”；按流程发言，倾听对方观点时记录质疑点，针对性回应，最后分享个人辩证看法。 3.设计意图：辩论培养学生逻辑思辨与多角度论证能力，让学生在“技术价值”与“风险隐患”的碰撞中，建立辩证认知；—学生分享环节则鼓励自主思考，避免“非黑即白”的判断。 技术伦理底线总结 1.教师活动：点评与核心观点提炼：点评“正方看到技术价值，反方看到风险升级，这正是伦理安全的核心——技术升级，伦理同步升级”；—明确伦理底线：强调“技术不能只看‘能力变强’，更要‘风险可控’”，并提及“认知自主、可解释性、算法公平、数据合规、责任界定”五条底线。 2.学生活动：记录“技术与伦理同步升级”的核心观点，理解“风险可控”的重要性；—记忆五条伦理底线，初步建立“科技向善”的意识。 3.设计意图：从“辩论”到“总结”，帮助学生将零散的观点升华为结构化的伦理认知；—明确伦理底线，培养学生的信息社会责任，呼应本节课“科技向善”的目标。 课程总结 1.教师活动：知识框架梳理：结合板书（“脑控小球”实验→脑机接口技术→AI 与脑科学关系→类脑智能→中国脑计划→伦理安全），总结“从实验到技术、从关系到战略、从创新到伦理”的完整认知链；—鼓励延伸学习：“希望大家课下关注AI 与脑科学的未来发展，用科技改变世界”。 2.学生活动：跟随教师梳理知识框架，巩固核心知识点，形成本节课的系统认知；—明确课下延伸学习的方向，激发持续探索兴趣。 3.设计意图：结构化总结帮助学生构建“零散知识→系统框架”的认知，避免知识点碎片化；—鼓励延伸学习则将课堂学习拓展到课外，培养学生的持续探究能力。 布置作业 1.教师活动：分层布置作业：①基础作业：“观察日记”——回家观察身边的AI 设备（如智能音箱、智能导航），描述其如何模仿人类大脑工作，次日分享；②拓展作业：结合《脑机接口研究伦理指引》，为脑控设备设计严格的安全规范；提示评价维度：“作业完成后，可对照本节课学习目标，评价掌握情况”。 2.学生活动：记录两类作业要求，明确基础作业“观察+描述”、拓展作业“设计+规范”的核心；—了解自评维度，为后续学习评价做准备。 3.设计意图：基础作业侧重“知识应用”，让学生将类脑智能“模仿大脑”的认知落地到生活场景；—拓展作业侧重“伦理实践”，培养学生将伦理底线转化为具体规范的能力，分层设计兼顾不同学生的学习需求。 学科网（北京）股份有限公司 $